Radioaktivitet kan ha en dålig rap, men det spelar en avgörande roll i medicinsk forskning. En revolutionerande ny teknik för att skapa radioaktiva molekyler, pionjär i Princetons kemiprofessor David MacMillans labb, har potential att ge patienterna nya läkemedel mycket snabbare än tidigare.

"Din genomsnittliga drog tar 12 till 14 år att komma ut på marknaden, sa MacMillan, James S. McDonnell Distinguished University Professor of Kemi. "Så allt vi kan göra för att ta den 14- eller 12-åriga tidsramen och komprimera den kommer att gynna samhället, eftersom det ger mediciner till människor - till samhället - så mycket snabbare."

Varje potentiell ny medicin måste genomgå testning för att bekräfta att den påverkar den del av kroppen som den är avsedd att påverka. "Går det till rätt plats? Fel plats? Rätt plats och fel plats?" frågade MacMillan.

Att spåra vägen för en kemikalie som löses upp i blodomloppet var en allvarlig utmaning, men en som radiokemister löste för flera år sedan genom att byta ut enskilda atomer med radioaktiva substitut. När det är gjort, "egenskaperna hos molekylen - läkemedlet - är exakt desamma förutom att de är radioaktiva, och det betyder att du verkligen kan spåra dem, väldigt bra, sa MacMillan.

Men det introducerade ett nytt problem.

"Att få in dessa radioaktiva atomer i drogen är inte en trivial sak att göra, " sa han. "Människor har utvecklats länge, ibland månader långa, två månader, tre månader långa sekvenser bara för att få en liten mängd av ett ämne med några radioaktiva atomer."

Men nu har han och hans kollegor hittat ett bättre sätt, bygger på sitt arbete med blå LED-lampor och katalysatorer som reagerar på ljus, känd som fotokatalysatorer. Deras forskning publicerades online i tidskriften Vetenskap den 9 nov.

"Det var en knäpp idé! Lyckligtvis, det fungerade, " sa MacMillan. "Det vi kom fram till var, om du lyser på dem, skulle dessa fotokatalysatorer verkligen kunna ta bort den icke-radioaktiva atomen och sedan installera den radioaktiva atomen?"

De kunde.

MacMillans teknik använder "tungt vatten, " som ersätter vätet (H) i H2O med tritium, en radioaktiv version av väte som har två extra neutroner per atom.

"Om du bara låter din drog sitta i det radioaktiva vattnet och lyser på den med en katalysator, Katalysatorn tar bort atomen som inte är radioaktiv – i det här fallet är det väte – och ersätter den med tritium, " han sa.

Plötsligt, att fästa en av dessa atometiketter tar timmar istället för månader, och tekniken fungerar på många typer av ofta använda föreningar. Forskarna har redan testat det på 18 kommersiellt tillgängliga läkemedel, såväl som kandidater i Merck drogupptäcktspipeline.

För föreningar som inte behöver radioaktiva taggar, samma enstegsprocess kan byta in deuterium, en version av väte med bara en extra neutron. Dessa "stabila etiketter" (med deuterium) och "radioetiketter" (med tritium) har otaliga tillämpningar, i akademin såväl som läkemedelsupptäckt.

Enkelheten i detta nya tillvägagångssätt har en annan innebörd, sa Jennifer Lafontaine, senior chef för syntes och analytisk kemi för Pfizer i La Jolla, Kalifornien, som inte var involverad i forskningen.

Eftersom den tidigare processen var så resurskrävande, deuterium- eller tritiummärkta molekyler skapades ofta bara för kemikalier som var "ganska avancerade i läkemedelsupptäcksprocessen, ", sa hon. "Denna metod kan därför öppna dörren till tidigare och utökad användning av isotopmärkning i läkemedelsupptäckten, avsevärt förbättra vår förmåga att studera läkemedelskandidater på en djupare nivå, och över en rad applikationer."

Denna nya metod utnyttjar det framväxande fältet för fotokatalys som var pionjär vid Princeton och tillämpade det på ännu ett nytt fält, sa MacMillan. Det har också ett uppenbart ekonomiskt värde, men han viftade bort det.

"Ingen patenterar något av detta, eftersom vi vill att det ska vara tillgängligt för alla att använda, sa MacMillan.

Denna teknik utvecklades i samarbete med Merck vid Princetons Merck Catalysis Center, där Princeton-studenten Yong Yao Loh och postdoktorn Kazunori Nagao utförde forskning med användning av det radioaktiva materialet, sa Ian Davies, en medförfattare på Vetenskap paper som var huvudutredare vid partnerlabbet på Merck medan forskningen pågick.

"Detta är ett bra exempel på ett Princeton-industriellt samarbete som gynnar vetenskapen och hela samhället, " sa Davies.